Современное лазерное оборудование для прецизионной обработки различных материалов

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Российский технологический университет

Кафедра оптических и биотехнических систем и технологий

Кафедра «Защита информации»

Международная академия технологических наук

Компания «Nanoplus Tech» (Тайвань)

Лаборатория лазерного разделения материалов

Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН

Современное лазерное оборудование для прецизионной обработки различных материалов

Кондратенко В.С., д.т.н., профессор, академик

Кадомкин В.В.. к.т.н., доцент

Лу Хунг-Ту, академик доктор профессор

Наумов А.С., к.т.н., академик

Великовский И.Э., к.т.н.,

Великовский Л.Э., к.т.н., консультант

г. Москва, Томск. Тайвань

Аннотация

Ключевые слова: лазерное управляемое термораскалывания, лазерная обработка материалов, лазерное сверление, стекло, сапфир, микроотверстие, иммерсионная охлаждающая жидкость.

Abstract

New laser machines for precision processing of various materials

V.S. Kondratenko. DSc (Technical), Professor, Academician of the European Academy of Sciences, Honorary worker of science and technology of the Russian Federation, Honorary worker of education of the Russian Federation, Head of the Department of optical and biotechnical systems and technologies, Russian technological University (Moscow).

V.V. Kadomkin. PhD (Technical), Associate Professor, Honorary worker of higher professional education of the Russian Federation, Associate Professor of the Department «Information Security», Russian technological University (Moscow).

Lu Hung-Tu. PhD Academician of the International Academy of Technological Sciences, honorary doctor and honorary professor of the Russian University of Technology, President, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).

A.S. Naumov. PhD (Technical), academician of International Academy of technological Sciences, laureate of the Government prize of the Russian Federation, Director of the Department of laser technology, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).

I.E. Velikovsky. PhD (Technical), Head of the laboratory for laser separation of materials, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).

L.E. Velikovsky PhD (Technical), consultant, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics Russian Academy of Sciences, Siberian branch (Tomsk).

Examples are given and the principles of operation of the modern innovative line of equipment for laser separation of materials using technologies-laser controlled thermal splitting, immersion laser method, as well as combined two laser cutting of glass along a curved contour are described. The combination of equipment using these methods allows us to largely meet the requirements of modern industry in the field of separation of brittle materials, for a wide range of work with such materials as glass, sapphire, silicon carbide, etc.

Keywords: laser controlled thermal cracking, laser material processing, laser drilling, glass; sapphire, micro-hole, immersion cooling liquid.

Известная в мире технология Лазерного Управляемого Термораскалывания (ЛУТ) ведёт свой путь с 1978 года, когда о данном методе было заявлено автором, профессором В.С. Кондратенко [1], а в последствии, данная технология получила широкое развитие и нашла своё применение для разделения хрупких неметаллических материалов по всему миру.

В настоящее время, на основании использования патента [2], тайваньской компанией «Наноплюс» подготовлена и успешно применяется линейка установок для Лазерного Управляемого Термораскалывания (ЛУТ). Требования современной промышленности выходят далеко за рамки необходимости резки листового стекла и требуют создания уникальных систем резки в рамках метода ЛУТ, для успешной обработки таких изделий как жидкокристаллические дисплеи для автомобильной промышленности и электроники, а также прецизионной резки полупроводниковых материалов.

Рассмотрим основные особенности оборудования для резки жидкокристаллических дисплеев, имеющих контур с закруглением. Как известно, лазерное управляемое термораскалывания заключается в локальном (по направлению реза) нагреве поверхности материала лазерным пучком. Таким образом, в зоне нагрева в поверхностных слоях материала возникают напряжения сжатия. Далее зона нагрева по линии реза резко охлаждается с помощью подаваемого из форсунки хладогента. Резкая смена температур приводит к возникновению в поверхностных слоях значительных напряжений растяжения и микротрещин. В итоге, в материале образуется линия реза с ровными краями. К основным преимуществам ЛУТ следует отнести высокую скорость и точность резки, безотходность производства, высокий уровень показателя механической прочности готовых изделий, превышающий подобный показатель при механической обработке хрупких материалов в несколько раз. С помощью математической модели ЛУТ, были рассчитаны необходимые поправочные коэффициенты, позволяющие с успехом обрабатывать жидкокристаллические панели с различными радиусами закругления профиля. Основные принципиальные особенности оборудования представлены в предыдущих работах [3,4]. При этом поправочный коэффициент определяет скорость взаимного вращения оси линзы и форсунки с водой и является универсальным для различных радиусов закругления.

Блок-схема и фотография установки ЛУТ для резки жидкокристаллических дисплеев представлена на рисунке 1.

Результатами реализации технологии лазерного управляемого термораскалывания для резки жидкокристаллических дисплеев стало получение резов без повреждения уплотнителя и электрической схемы между стеклянными панелями, отсутствие сколов вдоль линии резов и соответственно увеличение показателей прочности на изгиб по сравнению с резкой роликом. При этом, важным параметром стало сохранение высокого качества резки на закруглениях, что было успешно решено с помощью усовершенствования технологического оборудования (рисунок 2).

Рис. 1. Блок-схема и фотография установки для резки жидкокристаллических дисплеев

Рис. 2. Линии реза методом ЛУТ на жидкокристаллическом дисплее

Одной из наиболее сложных и востребованных задач в рамках метода ЛУТ стала подготовка оборудования для разделения полупроводниковых пластин.

Принципиальная схема установки ЛУТ для резки полупроводниковых пластин представлена на рисунке 3.

В установке для разделения полупроводниковых пластин используются два лазера с разными длинами волн, один из лазеров используется для скрайбирования, а второй для нагрева материала, как предусматривает технология ЛУТ, при том, что оба пучка от этих лазеров и пятно хладагента от водяной форсунки должны находиться на одной линии реза [5].

Высокая производительность процесса резки обеспечивается использованием системы автоматической подачи 25 подложек из кассеты, при этом позиционирование подложек осуществляется с помощью системы из двух видеокамер высокого разрешения, что позволяет полностью автоматизировать процесс резки и избежать ошибок позиционирования полупроводниковых пластин.

Одной из наиболее сложных задач, которые требовали решения для процесса ЛУТ при разделении полупроводниковых материалов, являлось образование дефектов перегрева материала на границе резов первого и второго направления. Решение данной задачи было выполнено с помощью механического растяжения подложки после резки первого направления. С этой целью был изготовлен специальный столик с функцией вакуумной растяжки плёнки после резки первого направления (рисунок 4).

Установка для разделения полупроводниковых пластин методом ЛУТ является универсальной для различных полупроводниковых позволяет быстро произвести замену лазеров для разделения соответствующих материалов. Таким образом с помощью данной установки возможна обработка таких материалов как сапфир Al2O3, кварц SiO2, керамика Al2O3, арсенид галлия GaAs, германий Ge, карбид кремния SiC и др.

Рис. 4. Вакуумный столик для обработки полупроводниковых пластин методом ЛУТ материалов

иммерсионный лазерный термораскалывание хрупкий

К основным преимуществам установки ЛУТ для полупроводниковых материалов следует отнести высокую скорость (до 300 мм в секунду) обработки, высокое качество линии реза и высокий (до 99%) уровень выхода годных пластин, при этом использование метода ЛУТ является экологичным и безотходным решением, не требующим никаких дополнительных операций после разделения материала (рисунок 5).

В современной промышленности очень часто востребованным является прецизионное лазерное сверление отверстий в различных хрупких и полупроводниковых материалах. На основании современной запатентованной технологии иммерсионного лазерного разделения материалов [6], компанией «Наноплюс» была разработана и выпущена установка для обработки широкого спектра материалов с использованием лазеров ультракоротких импульсов. Схема обработки материалов с использованием лазерного иммерсионного метода представлена на рисунке 6.

Рис. 5. Линия реза и микрочипы, полученные в результате использования метода ЛУТ для разделения полупроводниковых пластин.

Материал подложки - сапфир (AI2O3), размер чипа 3б5х195 мкм

Основой процесса иммерсионной лазерной обработки материала является взаимодействие рабочей жидкости с лазерным излучением с ультракороткой длительностью импульсов. В результате этого взаимодействия обрабатываемый материал переходит в нагретое твёрдое, жидкое и газообразное состояние и смешивается с иммерсионной жидкостью, которая поглощает энергию от лазерного излучения [7]. При этом высокие результаты качества обработки материалов получаются в результате воздействия ультракоротких импульсов лазерного излучения на обрабатываемый материал и находящеюся в непосредственном контакте с ним охлаждающую жидкость, при этом под воздействием высоких температур и давлений продукты испарения переходят в состояние сверхкритического флюида (СКФ) [8]. Такие физические свойства СКФ как высокий коэффициент диффузии и отсутствие поверхностного натяжения, сжимаемость и малая вязкость позволяют обеспечить подвод рабочего тела к дефектным участкам во время обработки материала, и позволяют значительно увеличить как скорость обработки материала, так и качество отверстий или готовых изделий, полученных в рамках метода. В рамках метода возможно сверление и резка таких материалов как различные виды стекла и сапфир. Для стекла были получены отверстия минимального размера 30 мкм, для стекла толщиной 100 мкм, при этом отверстия различного диаметра были успешно получены для стекла толщиной 9 мм, что позволяет сделать вывод о широчайшем диапазоне возможного использования данного метода для обработки различных материалов.

Рис. 6. Упрощённая схема установки иммерсионного лазерного метода обработки материалов

Рис. 7. Изделие из сапфира, вырезанное с помощью иммерсионного лазерного метода разделения материалов: а) фотография кромки материала, б) общий вид готового изделия

На рисунке 7 представлен общий вид и кромка сапфирового изделия толщиной 400 мкм, вырезанного с использованием иммерсионного лазерного метода обработки материалов. Размер вырезанного изделия составил 50х40 мм при радиусе закругления - 2 мм.

Реализация различных методов обработки материалов в рамках показанного в работе оборудования позволяет решать широкий комплекс задач по обработке различных материалов в том числе реализовывать возможности совмещения метода лазерного управляемого термораскалывания и иммерсионного лазерного метода обработки материалов [9].

Библиографический список (References)

1. А. c. 776002, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки листового стекла / В.С. Кондратенко; приор. 1979-02-19. Patent №WO9320015. Splitting of non-metallic materials / Kondratenko V. 1993-10-14.

2. Kondratenko, V.S. Optimizing the parameters of laser controlled thermocracking when cutting glass by a non-rectilinear contour / V.S. Kondratenko, V.E. Borisovskiy, A.S. Naumov, A.K. Zobov. - Текст: непосредственный // Optics and Photonics Journal., 2015. - №5. - С. 295-302.

3. Kondratenko, V.S. (1979). A.s. 776002, MKI5 SO3 V 33/02. Sposob rezki listovogo stekla [Pat. 776002, MKI5 SO3 IN 33/02. Method of cutting sheet glass]. prior. 1979-02-19.

4. Kondratenko, V.S. (1993). Patent No. WO9320015. Splitting of non-metallic materials. 1993-10-14.

5. Kondratenko, V.S., Borisovskiy, V.E., Naumov, A.S., Zobov, A.K. (2015). Optimizing the parameters of laser controlled thermocracking when cutting glass by a non-rectilinear contour. Optics and Photonics Journal. No 5. P. 295-302.

6. Кондратенко, В.С. Реализация технологии ЛУТ в оборудовании резки ЖКД автомобильного применения / В.С. Кондратенко, Лу Хунг-Ту, А.С. Наумов, И.Э. Великовский, Надя Ван Вэйюань, Марди Понг. - Текст: непосредственный // Laser manufacture news. - Issue 126, 15th April 2020, China.

7. Пат. 2404931. Российская Федерация, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки пластин из хрупких материалов / В.С. Кондратенко, С. Наумов / 28.08.2009.

8. Kondratenko V., Naumov A., Velikovskiy I. Immersion laser fabrication method and system. Taiwan Patent Application No. 107129739 TW/27.08.18/TWA.

9. Кондратенко, В.С. Механизм лазерной иммерсионной обработки стекла /

10. С. Кондратенко, В.В. Кадомкин, Лу Хунг-Ту, С. Наумов, И.Э. Великовский. - Текст: непосредственный // Стекло и Керамика. - 2020. №4. - С. 3-9. - ISSN 0131-9582.

11. Кондратенко, В.С. Лазерное сверление микроотверстий в стекле / В.С. Кондратенко, В. Кадомкин, Лу Хунг-Ту, А.С. Наумов, И.Э. Великовский. // Стекло и Керамика. - 2020. - №2. - С. 3-7. - ISSN 0131-9582.

12. Кондратенко, В.С. Технология резки стекла с использованием двух различных лазеров / С. Кондратенко, А.Н. Кобыш, Лу Хунг-Ту, А.

13. Наумов, И.Э. Великовский. - Текст: непосредственный // Стекло и Керамика. - 2020. - №6. - С. 12-15. - ISSN 0131-9582.

14. Kondratenko, V.S., Hung-Tu, Lu, Naumov, A.S., Velikovskij, I.Je., Nadja Van Vjejjuan', Mardi Pong. (2020). Realizacija tehnologii LUT v oborudovanii rezki ZhKD avtomobil'nogo primenenija [Implementation of LUT technology in the LCD cutting equipment for automotive applications]. Laser manufacture news. Issue 126, 15th April, China.

15. Kondratenko, V.S., Naumov, A.S. (2009). Patent №2404931. Rossijskaja Federacija. Sposob rezki plastin iz hrupkih materialov [Pat. 2404931 Russian Federation. Method for cutting plates made of brittle materials]. 28.08.2009.

16. Kondratenko V., Naumov A., Velikovskiy I. Immersion laser fabrication method and system Taiwan Patent Application No. 107129739 TW/27.08.18/TWA.

17. Kondratenko V.S., Kadomkin V.V., Lu Hung-Tu, Naumov A.S., Velikovskij I. Je. (2020). Mehanizm lazernoj immersionnoj obrabotki stekla. [Mechanism of Laser Immersion-Processing of Glass]. Steklo i Keramika. No. 4. P. 3-9.

18. Kondratenko V.S., Kadomkin V.V., Lu Hung-Tu, Naumov A.S., Velikovskij I.Je. (2020). Lazernoe sverlenie mikrootverstij v stekle [Laser Drilling of Microholes in Glass]. Steklo i Keramika. No.2. P. 3-7. ISSN 0131-9582.

19. Kondratenko V.S., Kobysh A.N., Hung- Tu Lu, Naumov A.S., Velikovskii I.E. (2020). Tehnologija rezki stekla s ispol'zovaniem dvuh razlichnyh lazerov [Glass cutting technology combining two different lasers]. Steklo i Keramika. No.6. P. 12-15. ISSN 0131-9582.

Размещено на allbest.ru